TWI531824B - 光接收裝置 - Google Patents

Description

光接收裝置

本發明是有關於一種光傳收裝置，且特別是有關於一種光接收裝置。

光纖通訊模組(fiber optical communication module)係由一光纖傳接模組(fiber optical transceiver module)與一電路模組(circuitry module)結合組成，其中光纖傳接模組通常包含一光傳輸裝置(light transmitting device)以及一光接收裝置(light receiving device)。光纖通訊具有傳輸速度快、容量高、失真低等優點，可有效應付未來龐大的高解析度影像之訊號傳輸。光纖通訊可應用於長距離的訊號傳輸，例如海底光纜(submarine optical fiber cable)，亦可應用於短距離的局端(local side)訊號傳輸。由於光纖通訊的頻寬是傳統電纜通訊的數百倍以上，且光纖通訊的技術仍不斷在突破，未來光纖網路仍具有相當的成長性，因此有人說二十一世紀則是光的世紀。

為了進一步提高光纖的訊號傳輸量，常會採用分波多工(Wavelength Division Multiplex,WDM)技術，使多個具有不同波長的光訊號同時於一條光纖中進行傳輸，以提高整體的資訊傳輸量。可是，一旦波長的數目增加，每一波長的寬度及中心波長的間距、整體的光功率、串音干擾(cross-talk)、光纖可傳遞的最大範圍都必須要考慮。最常用來製作分波多工器的技術有：(1)薄膜濾光片(Thin Film Filter,TFF)、(2)陣列波導光柵(Array Waveguide Grating,AWG)以及(3)光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating、FBG)。由於上述的分波多工器，受限於傳輸的距離較長，光訊號的工作波長多採用波段1475～1625 nm之間，以增加光的穿透率，減少傳輸損失，但相對地成本亦較高，無法以低成本的半導體製程大量生產。

此外，在分光技術上，已知技術於羅倫圓(Rowland circle)上製作出一凹面式光柵(concave grating)，使入射光源產生的繞射光聚焦於羅倫圓上，以改善傳統平面式光柵(planar grating)需使用兩個凹面鏡來做光線聚焦之空間，並使光柵分光效率提高。此外，凹面式光柵結合了光柵分光和凹面鏡成像之功能，若入射光源內含有許多不同波長的光訊號，則反射光波會因干涉的結果，而讓不同波長的光訊號反射到不同角度上，產生分光的效果，進而減少能量損耗，且所佔的空間也會減少，以取代傳統大型的分光儀(monochromator)。

本發明係有關於一種光接收裝置，其藉由反射式繞射光柵(reflection type diffraction grating)將不同波長的光訊號反射至不同位置的接收部上，以進行多通道分光之處理。由於反射式繞射光柵是以半導體製程技術製作的分光元件，具有低***損耗、低串音、易於大量製造等優點，因此光接收裝置之通道數(channel number)及頻寬(bandwith)可增加，且大幅降低生產的成本。

根據本發明之一方面，提出一種光接收裝置包括一輸入部、一反射型繞射光柵以及多個接收部。輸入部用以輸入多個不同波長之光訊號。反射型繞射光柵位於輸入部之一出口。反射型繞射光柵包括一曲面輪廓以及多個繞射結構。此些繞射結構配置於曲面輪廓上，用以分離不同波長之光訊號並使光訊號聚焦於一預設輸出面上。此些繞射結構以多個光柵間距(grating pitch)設置於此些輪廓點之間。至少部份之此些光柵間距係互為不同。此外，多個接收部配置於預設輸出面上，用以接收分離的不同波長之光訊號。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本實施例之光接收裝置，係利用反射型繞射光柵將不同波長的光訊號分離並聚焦於一預設輸出面上。反射型繞射光柵兼具分光及聚焦的功能，因此可取代傳統光學系統中的準直面鏡(collimator)與聚焦鏡(focusing lens)，進而減少光學系統中元件的使用數量以及複雜的對位問題。

請同時參照第1圖、第2圖及第3圖，第1圖繪示依照一實施例之光接收裝置的示意圖，第2圖繪示反射型繞射光柵的繞射原理之示意圖，第3圖繪示依照一實施例之反射型繞射光柵的示意圖。光接收裝置10包括一輸入部12、一反射型繞射光柵14以及多個接收部16。輸入部12用以輸入多個不同波長之光訊號L1~Ln。反射型繞射光柵14位於輸入部12之一出口121。反射型繞射光柵14包括一曲面輪廓142以及多個繞射結構144。曲面輪廓142具有多個輪廓點P₀~Pn。此些繞射結構144配置於曲面輪廓142上，用以分離不同波長之光訊號L1~Ln並使光訊號聚焦於一預設輸出面162上。此些繞射結構144以多個光柵間距設置於此些輪廓點P₀~Pn之間。至少部份之此些光柵間距係互為不同。此外，多個接收部16配置於預設輸出面162上，用以接收分離的不同波長之光訊號L1~Ln。

在一實施例中，接收部16例如為一組光電元件所組成的光電轉換器，光電元件例如為光電二極體，以並聯的方式依序排列於預設輸出面162上，可將不同波長之光訊號L1~Ln轉換成一組電訊號。至少部分之此些接收部16之間的間距互為不同，且接收部16的位置與光柵間距設置有關，可依實際設計予以調整，以使接收部16非等距地排列在預設輸出面162上。接收部16的數量不限，端視輸入部12可允許傳輸最大數量的光訊號而定。此外，接收部16亦可為一組光纖或由光纖與光電元件所組合成之混合接收器。各個光纖分得單一波長之光訊號之後，再由後續的光電元件進行資料處理，但亦可不需經由光電轉換，直接以單一波長的光訊號再次傳輸。

在一實施例中，輸入部12例如為光纖，其末端具有一出口121。不同波長之光訊號L1~Ln可同時在光纖內部傳輸，不會相互干擾，使得訊號傳輸量及頻寬相對增加。在一實施例中，光訊號L1~Ln的可用波長範圍為600～800nm，其數量至少大於等於3。若光接收裝置10對光訊號L1~Ln的解析度愈高，可使用的頻段數也愈高。舉例來說，當可用的頻寬為200nm，最小解析度為5奈米(nm)時，一條光纖可同時傳輸40個不同波長之光訊號L1~Ln。若以傳輸速度為10Gbps來計算，一秒鐘可傳輸的資料量約為400Gb，相當於一片藍光光碟片的容量。因此，以光纖替代傳統的電纜，可克服傳統電纜頻寬不足之限制，以及減少電磁波之雜訊干擾。由此可知，本發明之光接收裝置可應用在以光纖作為傳輸介面之模組上，例如連接於電腦與其週邊電子裝置之間的光纖傳接模組，或區域網路中連接伺服器、印表機、影印機與終端電腦之間的光纖傳接模組，以大幅提高傳輸的資料量。

以下說明第2圖之繞射原理以及第3圖之反射型繞射光柵14的繞射結構144。為方便說明起見，第3圖繪示之繞射結構144之形狀係以相似三角形為例說明。繞射結構144以多個光柵間距設置於輪廓點P₀~Pn之間。至少部份之光柵間距係互為不同，使得不同波長的光訊號L1~Ln以實質上垂直於預設輸出面162之方式射向預設輸出面162。互不相同之光柵間距的個數可視實際設計予以調整，為方便說明起見，第3圖僅以三個互不相同之光柵間距d₀、d₁及d₂為例說明。在一實施例中，光柵間距d₀、d₁及d₂分別為由輪廓點P₀至P₁、P₁至P₂、P₂至P₃之線段長度。

在第2及3圖中，中央輪廓點P₀係為曲面輪廓142的中心點，參考點(較佳為輪廓點P₁)是光學模擬與調整過程中暫時選擇的下一個輪廓點，當單一波長光線從一已知的入射角α射向以P₀與P₁連線的線段長度d₀為光柵間距的區域光柵時，繞射後在預設輸出面162上的聚焦位置可能會與一理想的聚焦點有一像差△y’(aberration)。像差△y’可經由以下的光柵公式(Grating Equation)

sinα+sinβ=推得像差解析度(aberration induced spectral resolution) Δλ _A =

其中，光柵間距d₀係為區域光柵P₁P₀的光柵間距；繞射角β為該假設的單一波長光線A1經區域光柵P₁P₀繞射後的角度，其為λ的函數；λ為A1之波長；m為繞射階數；距離r’為A1之繞射光線由區域光柵P₁P₀繞射至預設輸出面162的距離。在光柵間距d₀、繞射角β、波長λ、繞射階數m及距離r’已知的前提下，每一個像差△y’值都能藉由光柵公式找出對應之像差解析度Δλ _A 。如此，反射型繞射光柵14之曲面輪廓142上的輪廓點所在位置可以從中央輪廓點P₀為基準點出發，透過光學模擬反覆調整光柵間距與區域的光柵輪廓(local grating profile)，尋找出像差解析度Δλ _A 小於一預定值的位置點作為較佳的次一輪廓點P₁所在位置，再從輪廓點P₁為基準點出發，以同樣的光學模擬反覆調整光柵間距與區域的光柵輪廓，尋找出像差解析度Δλ _A 小於一預定值的位置點作為較佳再次一個的輪廓點P₂所在位置，如此重複，直到反射型繞射光柵14之曲面輪廓142被不同光柵間距的區域光柵輪廓佈滿為止，如此求得的反射型繞射光柵14將會是以光學模擬法所能求得的較佳光柵。

相對於傳統具有固定光柵間距之凹面式光柵而言，因其繞射後的光線與羅蘭圓上聚焦的圓弧切線間幾乎不可能成垂直或接近垂直的相交，實用性不高。反觀，本發明透過光學模擬的方式尋找非固定的光柵間距與非圓弧面的曲面輪廓142，使繞射光線可以實質上垂直於預設輸出面162的方式射向預設輸出面162，如此不僅繞射效率會更好，預設輸出面162也可以不必是難以具體實施的羅蘭圓上的圓弧，而可以是一個容易具體實施的其他輸出面，例如一平面上的一直線，如此反射型繞射光柵14在實際應用上將具有非常高的價值。

本發明之反射型繞射光柵14因具有一非平面之曲面輪廓142(例如三維球面或曲面)以及互不相等的光柵間距，傳統以精密的鑽石刀在平面式的金屬或玻璃表面上刻製繞射結構144的方法，變得不再適合，其原因至少包含鑽石刀難以變動刻製的間距以及難以在非平面的物質表面操作，因此本發明的反射型繞射光柵14較適當的製程與材質的選擇會是以半導體基底材料(例如矽或Ⅲ-Ⅴ族半導體材料)為其材質，以蝕刻方式在晶圓垂直面上往下蝕刻出非平面的繞射結構144，之後再從晶圓上切割出來。

請參照第4圖及第5圖，第4圖繪示依照一實施例之光接收裝置的立體分解圖，第5圖繪示光線於第4圖之光通道中行進的示意圖。光接收裝置10進一步包括上波導板120、下波導板130、第一消光元件150與第二消光元件160。

下波導板130係實質上平行於上波導板120設置。上波導板120具有第一反射面122，而下波導板130具有與第一反射面122相對之第二反射面132。第一反射面122與第二反射面132之間係形成光通道140，使來自於輸入部12之光訊號L1～Ln如第18圖所示在光通道140內行進。上述第一反射面122與第二反射面132間形成之光通道140一般為空腔式，有別於光線在光纖中傳送所採用的全反射原理，本實施例係將光訊號L1~Ln限制在這些反射面間反覆反射而向前傳送，但亦可填滿適當的介質(例如玻璃、塑膠、或壓克力等)供光訊號在當中反覆反射而向前傳送、同時防止落塵或其他污染物累積在上下波導板之上而影響波導板之平整度與反射率。

前述上波導板120與下波導板130必須具有良好的平整度與反射率，才可使光訊號L1～Ln在上波導板120與下波導板130之間行進時，達到最低的損耗與最佳的光源集中效果。因此，上波導板120及下波導板130之材質例如是不鏽鋼、矽晶片、玻璃、光碟片或硬碟片。此外，如果上波導板120及下波導板130所使用之材料反射率未達所需之標準，可在第一反射面122與第二反射面132上分別設置一層高反射膜以解決此問題，較佳地高反射膜之材料為鋁膜。

為了防止第一反射面122與第二反射面132之表面隨著時間發生氧化、鏽蝕、粗糙等情形，而降低反射面表面之平整度與反射率，可在第一反射面122與第二反射面132之高反射膜上分別設置第一保護膜與第二保護膜(圖未繪示)，保護膜的材料例如是二氧化矽。

本發明上述實施例所揭露之光接收裝置，規範從輸入部輸入之不同波長之光訊號，於上下波導板之間之光通道中行進，如此可讓光訊號更為集中且不易發散。再搭配鋸齒狀之消光元件更可讓入射角度過大之光訊號被消弭，進而減少到達接收部之雜散光，使得所欲分離的光訊號不會受到雜散光之干擾，以得到更清晰之訊號品質。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．光接收裝置

12．．．輸入部

14．．．反射型繞射光柵

16．．．接收部

L1~Ln．．．光訊號

121．．．出口

142．．．曲面輪廓

144．．．繞射結構

P₀~Pn．．．輪廓點

162．．．預設輸出面

d₀、d₁、d₂．．．光柵間距

120．．．上波導板

130．．．下波導板

122．．．第一反射面

132．．．第二反射面

140．．．光通道

150．．．第一消光元件

160．．．第二消光元件

第1圖繪示依照一實施例之光接收裝置的示意圖。

第2圖繪示反射型繞射光柵的繞射原理之示意圖。

第3圖繪示依照一實施例之反射型繞射光柵的示意圖。

第4圖繪示依照一實施例之光接收裝置的立體分解圖。

第5圖繪示光線於第4圖之光通道中行進的示意圖。

10．．．光接收裝置

12．．．輸入部

14．．．反射型繞射光柵

16．．．接收部

121．．．出口

142．．．曲面輪廓

162．．．預設輸出面

L1~Ln．．．光訊號

Claims (9)

1. 一種光接收裝置，應用於光纖通訊，該光接收裝置包括：一輸入部，用以輸入複數個不同波長之光訊號；一反射型繞射光柵，位於該輸入部之一出口，該反射型繞射光柵包括：一曲面輪廓，具有複數個輪廓點；以及複數個繞射結構，配置於該曲面輪廓上，用以分離該些不同波長之光訊號並聚焦於一預設輸出面上，該些繞射結構以複數個光柵間距設置於該些輪廓點之間，至少部份之該些光柵間距係互為不同；以及複數個接收部，配置於該預設輸出面上，用以接收分離的該些不同波長之光訊號，其中至少部分之該些接收部非等距地排列在該預設輸出面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光接收裝置，其中該些不同波長之光訊號的數量大於3。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光接收裝置，其中該預設輸出面係為一平面上之一直線。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光接收裝置，其中該曲面輪廓與該些繞射結構係刻製於一半導體基底材料上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光接收裝置，其中 該半導體基底材料係為矽。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光接收裝置，更包括：一上波導板，具有一第一反射面；以及一下波導板，實質上平行於該上波導板設置，並具有一第二反射面，該第一反射面與該第二反射面係相對，該第一反射面與該第二反射面之間係形成一光通道，使來自於該輸入部之該些光訊號在該光通道內行進。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光接收裝置，更包括一第一消光元件與一第二消光元件，分別配置於該光通道之兩側。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光接收裝置，其中該些接收部包括一組光電元件、一組光纖或其組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光接收裝置，其中該輸入部包括一光纖。